Întâlniri radiometrice: definiție, modul în care funcționează, utilizări și exemple

Dacă doriți să știți câți ani are cineva sau ceva, vă puteți baza, în general, pe o combinație de simplă adresare de întrebări sau Googling pentru a ajunge la un răspuns corect. Acest lucru se aplică tuturor, de la vârsta unui coleg de clasă până la numărul de ani în care Statele Unite au existat ca națiune suverană (243 și din 2019).

Dar ce zici de epocile obiectelor din antichitate, de la o fosilă nou descoperită până la epoca Pământ în sine?

Sigur, puteți parcurge Internetul și puteți afla destul de repede că consensul științific fixează vârsta planetei la aproximativ 4,6 miliarde de ani. Dar Google nu a inventat acest număr; în schimb, ingeniozitatea umană și fizica aplicată au oferit-o.

Mai exact, un proces numit datarea radiometrică permite oamenilor de știință să determine vârsta obiectelor, inclusiv vârsta rocilor, variind de la mii de ani până la miliarde de ani până la un grad minunat de precizie.

Aceasta se bazează pe o combinație dovedită de matematică de bază și cunoștințe despre proprietățile fizice ale diferitelor elemente chimice.

A întelege tehnici de datare radiometrică, trebuie mai întâi să înțelegeți ce se măsoară, cum se face măsurarea și limitările teoretice, precum și practice ale sistemului de măsurare utilizat.

Ca analogie, spuneți că vă întrebați: "Cât de cald (sau rece) este afară?" Ceea ce căutați de fapt aici este temperatura, care este fundamental o descriere a cât de repede se mișcă și se ciocnesc moleculele din aer, într-un număr convenabil. Aveți nevoie de un dispozitiv pentru a măsura această activitate (un termometru, din care există diferite tipuri).

De asemenea, trebuie să știți când puteți sau nu puteți aplica un anumit tip de dispozitiv sarcinii la îndemână; de exemplu, dacă doriți să știți cât de fierbinte este interiorul unei sobe cu lemne active, probabil că înțelegeți acest lucru punerea unui termometru de uz casnic destinat măsurării temperaturii corpului în interiorul aragazului nu va dovedi util.

Rețineți, de asemenea, că timp de multe secole, majoritatea „cunoașterii” umane a erei rocilor, a formațiunilor precum Marele Canion și orice altceva din jurul tău era bazat pe relatarea din Geneza a Bibliei, care pretinde că întregul cosmos este poate de 10.000 varsta.

Metodele geologice moderne s-au dovedit uneori spinoase în fața unor noțiuni atât de populare, dar ciudate și neacceptate științific.

Datarea radiometrică profită de faptul că compoziția anumitor minerale (roci, fosile și alte obiecte foarte durabile) se schimbă în timp. Mai exact, cantitățile relative ale constituentului lor elemente schimbare într-un mod previzibil matematic datorită unui fenomen numit dezintegrarea radioactivă.

La rândul său, aceasta se bazează pe cunoașterea izotopi, dintre care unele sunt „radioactive” (adică emit spontan particule subatomice la o rată cunoscută).

Izotopi sunt versiuni diferite ale aceluiași element (de exemplu, carbon, uraniu, potasiu); au același număr de protoni, motiv pentru care identitatea elementului nu se schimbă, ci numere diferite de neutroni.

• Este posibil să întâlniți oameni și alte surse care se referă la metodele de datare radiometrică generic ca „datare radiocarbonată” sau doar "datare cu carbon." Acest lucru nu este mai precis decât referirea la cursele de alergare de 5K, 10K și 100 de mile ca „maraton” și veți afla de ce într-o pic.

Unele lucruri din natură dispar într-un ritm mai mult sau mai puțin constant, indiferent de cât este de început și cât de mult rămâne. De exemplu, anumite medicamente, inclusiv alcoolul etilic, sunt metabolizate de organism la un număr fix de grame pe oră (sau orice alte unități sunt cele mai convenabile). Dacă cineva are echivalentul a cinci băuturi în sistemul său, corpul ia de cinci ori mai mult timp pentru a elimina alcoolul ca și dacă ar avea o băutură în sistemul său.

Cu toate acestea, multe substanțe, atât biologice, cât și chimice, se conformează unui mecanism diferit: într-un anumit moment perioada de timp, jumătate din substanță va dispărea într-un timp fixat, indiferent cât de mult este prezent pentru a începe cu. Se spune că astfel de substanțe au un jumătate de viață. Izotopii radioactivi respectă acest principiu și au rate de descompunere extrem de diferite.

Utilitatea acestui lucru constă în a putea calcula cu ușurință cât de mult dintr-un anumit element a fost prezent în momentul în care a fost format pe baza cât este prezent în momentul măsurării. Acest lucru se datorează faptului că atunci când apar pentru prima dată elemente radioactive, se presupune că acestea constau în întregime dintr-un singur izotop.

Deoarece dezintegrarea radioactivă are loc în timp, din ce în ce mai multe izotopuri obișnuite „se dezintegrează” (adică se convertesc) într-un izotop sau izotopi diferiți; aceste produse de descompunere sunt numite în mod corespunzător fiica izotopilor.

Imaginați-vă că vă bucurați de un anumit tip de înghețată aromată cu chipsuri de ciocolată. Aveți o colegă de cameră furioasă, dar nu mai inteligentă, căreia nu îi place înghețata însăși, dar nu poate rezista alegând să mănânce chips-uri - și într-un efort de a evita detectarea, el înlocuiește pe fiecare pe care îl consumă cu un stafide.

Îi este frică să facă acest lucru cu toate chipsurile de ciocolată, așa că, în schimb, în ​​fiecare zi, șterge jumătate din numărul de ciocolată rămasă chipsuri și pune stafide la locul lor, completând niciodată transformarea lui diabolică a desertului tău, dar apropiindu-se și mai aproape.

Spuneți unui al doilea prieten care este conștient de acest aranjament și care observă că cutia dvs. de înghețată conține 70 de stafide și 10 chipsuri de ciocolată. Ea declară: „Cred că ai fost la cumpărături acum vreo trei zile”. De unde știe ea asta?

Este simplu: trebuie să fi început cu un total de 80 de jetoane, deoarece acum aveți 70 + 10 = 80 aditivi în total la înghețată. Deoarece colegul dvs. de cameră mănâncă jumătate din jetoane într-o anumită zi, și nu un număr fix, cutia trebuie să aibă 20 de jetoane cu o zi înainte, 40 cu o zi înainte și 80 cu o zi înainte.

Calculele care implică izotopi radioactivi sunt mai formale, dar urmează același principiu de bază: Dacă cunoașteți timpul de înjumătățire al elementului radioactiv și puteți măsura cât din fiecare izotop este prezent, puteți afla vârsta fosilei, a rocii sau a altei entități din care provine.

Se spune că elementele care au timp de înjumătățire se supun lui a prima comanda procesul de descompunere. Au ceea ce este cunoscut ca o constantă de rată, de obicei notată cu k. Relația dintre numărul de atomi prezenți la început (N₀), numărul prezent la momentul măsurării N timpul scurs t, și rata constantă k pot fi scrise în două moduri echivalente matematic:

N = N₀e^−kt

sau

ln [N / N₀] = −kt

În plus, poate doriți să cunoașteți activitate A dintr-o probă, de obicei măsurată în dezintegrări pe secundă sau dps. Aceasta se exprimă pur și simplu ca:

A = kt

Nu trebuie să știți cum sunt derivate aceste ecuații, dar ar trebui să fiți pregătit să le utilizați, astfel încât să rezolvați problemele care implică izotopi radioactivi.

Oamenii de știință interesați să afle vârsta unei fosile sau a unei roci analizează un eșantion pentru a determina raportul dintre izotopul fiic (sau izotopi) fiic al unui element radioactiv dat și izotopul său părinte în acest probă. Din punct de vedere matematic, din ecuațiile de mai sus, acesta este N / N₀. Cu rata de descompunere a elementului și, prin urmare, timpul său de înjumătățire, cunoscut în prealabil, calcularea vârstei sale este simplă.

Trucul este să știți care dintre diferiții izotopi radioactivi comuni să căutați. La rândul său, acest lucru depinde de vârsta aproximativă așteptată a obiectului, deoarece elementele radioactive se descompun la rate extrem de diferite.

De asemenea, nu toate obiectele care urmează să fie datate vor avea fiecare dintre elementele utilizate în mod obișnuit; puteți datează articole cu o anumită tehnică de întâlnire dacă includ compusul sau compușii necesari.

Datare cu uraniu-plumb (U-Pb): Uraniul radioactiv se prezintă în două forme, uraniu-238 și uraniu-235. Numărul se referă la numărul de protoni plus neutroni. Numărul atomic al uraniului este 92, corespunzător numărului său de protoni. care se descompun în plumb-206 și respectiv plumb-207.

Timpul de înjumătățire al uraniului-238 este de 4,47 miliarde de ani, în timp ce cel al uraniului-235 este de 704 milioane de ani. Deoarece acestea diferă cu un factor de aproape șapte (reamintim că un miliard este de 1.000 de ori mai mare decât un milion), se dovedește o „verificare” pentru asigurați-vă că calculați corect vârsta stâncii sau a fosilei, făcându-l printre cele mai precise datări radiometrice metode.

Timpii de înjumătățire lungi fac ca această tehnică de întâlnire să fie potrivită pentru materiale deosebit de vechi, de la aproximativ 1 milion la 4,5 miliarde de ani.

Datarea U-Pb este complexă din cauza celor doi izotopi în joc, dar această proprietate este, de asemenea, ceea ce o face atât de precisă. Metoda este, de asemenea, provocatoare din punct de vedere tehnic, deoarece plumbul se poate „scurge” din multe tipuri de roci, făcând uneori calculele dificile sau imposibile.

Datarea U-Pb este adesea folosită pentru datarea rocilor magmatice (vulcanice), care pot fi greu de realizat din cauza lipsei de fosile; roci metamorfice; și stânci foarte vechi. Toate acestea sunt greu de datat cu celelalte metode descrise aici.

Datare rubidiu-stronțiu (Rb-Sr):Radioactiv rubidiu-87 se descompune în stronțiu-87 cu o jumătate de viață de 48,8 miliarde de ani. Nu este surprinzător faptul că datarea Ru-Sr este folosită pentru a datează roci foarte vechi (la fel de vechi ca Pământul, de fapt, deoarece Pământul are „numai” o vechime de aproximativ 4,6 miliarde de ani).

Stronțiul există în alți izotopi stabili (adică nu sunt predispuși la descompunere), inclusiv stronțiul-86, -88 și -84, în cantități stabile în alte organisme naturale, roci și așa mai departe. Dar, deoarece rubidiul-87 este abundent în scoarța terestră, concentrația de stronțiu-87 este mult mai mare decât cea a celorlalți izotopi ai stronțiului.

Oamenii de știință pot compara apoi raportul dintre stronțiul 87 și cantitatea totală de izotopi stabili de stronțiu pentru a calcula nivelul de degradare care produce concentrația detectată de stronțiu-87.

Această tehnică este adesea utilizată până în prezent roci magmatice și stânci foarte vechi.

Potasiu-argon (K-Ar) datare: Izotopul radioactiv de potasiu este K-40, care se descompune atât în ​​calciu (Ca) cât și în argon (Ar) într-un raport de 88,8% calciu la 11,2% argon-40.

Argonul este un gaz nobil, ceea ce înseamnă că nu este reactiv și nu ar face parte din formarea inițială a rocilor sau fosilelor. Orice argon găsit în roci sau fosile trebuie, prin urmare, să fie rezultatul acestui tip de degradare radioactivă.

Timpul de înjumătățire al potasiului este de 1,25 miliarde de ani, ceea ce face ca această tehnică să fie utilă pentru datarea stâncii probe variind de la aproximativ 100.000 de ani în urmă (în timpul vârstei primilor oameni) la aproximativ 4,3 miliarde cu ani în urmă. Potasiul este foarte abundent pe Pământ, făcându-l excelent pentru întâlniri, deoarece se găsește la unele niveluri în majoritatea tipurilor de probe. Este bun pentru datarea rocilor magmatice (roci vulcanice).

Datare Carbon-14 (C-14): Carbonul 14 pătrunde în organisme din atmosferă. Când organismul moare, nu mai există izotop carbon-14 poate intra în organism și va începe să se descompună începând din acel moment.

Carbon-14 se descompune în azot-14 în cel mai scurt timp de înjumătățire dintre toate metodele (5.730 de ani), ceea ce îl face perfect pentru datarea fosilelor noi sau recente. Este utilizat în cea mai mare parte numai pentru materiale organice, adică pentru fosile animale și vegetale. Carbon-14 nu poate fi utilizat pentru probe mai vechi de 60.000 de ani.

În orice moment, țesuturile organismelor vii au același raport carbon-12 la carbon-14. Când un organism moare, după cum sa menționat, acesta încetează să mai încorporeze carbon nou în țesuturile sale și astfel decăderea ulterioară a carbonului 14 la azotul 14 modifică raportul dintre carbonul 12 și carbonul 14. Comparând raportul dintre carbonul 12 și carbonul 14 din materia moartă cu raportul când organismul respectiv era în viață, oamenii de știință pot estima data morții organismului.